基于学生实践能力培养的CAD/CAM教学改革探索

陈飞，范扬波，魏碧霞

(1. 福州大学 至诚学院，福建 福州 350002； 2. 福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350116 )

0 引言

计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术是近20多年来迅速发展、广泛应用的一门新兴综合性计算机和自动化应用技术。作为应用型本科高校机械工程专业，旨在侧重培养能在生产一线上从事设计、制造、检测、技术开发、指导和经营管理的工程应用型人才，重点培养学生应用新技术、新工艺解决实际工程问题的动手能力[1]。通过设置CAD/CAM这门课，可以使学生掌握计算机辅助设计与制造的基本理论与方法，使学生懂得利用理论结合专业软件完成产品的设计制造过程，既能提高学生实际应用的能力，又能提高学生就业的竞争力。

1 课程特点分析

CAD/CAM这门课程涉及的内容比较广泛，它涵盖了计算机与网络技术、图形处理技术、工程分析技术、工程数据库、优化设计、机械设计与制造、数控(NC)技术等多学科的内容，是综合性、边缘性、系统性的交叉学科的综合运用[2]。该门课程包含了理论教学和实践环节两部分。理论教学部分讲授了CAD/CAM的基本理论，包括硬件和软件构成、图形数据结构、计算机图形学基础、工程数据处理、曲线和曲面等内容，实践环节是要求学生掌握一种三维设计应用软件，如Pro/E、UG、Solidworks、CAXA，学会应用这些软件中的一种自主完成简单产品的设计及制造。

由于这门课程内容的广泛性，使其与先期修过的一些课程有很多关联性，因此要求学生要先期掌握相应的基础理论知识，这对修读这门课的学生也提出了更高的要求。比如，常用图形数据结构章节内容与学生学习的计算机基础、编程语言基础相关，计算机图形学基础以及曲线曲面章节内容与线性代数的矩阵内容密切相关，CAM章节又涉及到数控技术方面的内容。一方面这些内容能让学生感觉到这门课不是全新的课程，易于产生兴趣，另一方面，关联多门课程理论知识也让部分平时基础比较薄弱的学生产生了畏难的情绪，对教师的教学和学生的学习效果也提出了挑战。

2 教学现状分析

该课程的理论教学和实践环节的课时比例基本为1:1。在理论教学中，由于是交叉性和综合性明显的学科，包含的内容很繁杂，再加上受到学时的限制，很难在有限的时间内将教材内的所有理论知识都进行详细地介绍，一些章节的讲述只能点到为止，无法进行推导与扩展，也无法举更多例子来对理论进行验证，这样会使学生产生学了以后不知如何应用的问题。另一方面，部分理论知识略显枯燥，比如曲线曲面章节内容，对数学的理论推导及矩阵运用的要求较高，文章描述也略显枯燥与抽象，很难激发学生主动学习的兴趣。总之，传统教学模式多采用概念、理论、原理的讲解为主，老师采用集中说教的授课方式，容易造成学生对所学内容印象不深，理解模糊，产生歧义，并不能将知识点与生产实践联系起来，无法理解该门技术在现实应用中的意义，从而无法达到理想的教学效果[3]。

在实践教学环节，主要采取上机操作的形式，要求学生掌握Pro/E软件的应用。由于上机的学时也不多，只能重点讲述软件应用的几个模块，如实体建模模块、曲面建模模块、工程图模块、装配图模块、编程加工模块。在教学的过程当中，多采用任务驱动的方法，以典型零件设计制造为导向，根据学生的总体水平选择适合难度的教学案例，一定程度上可以帮助学生更有针对性地完成任务。受学时限制，上机教学过程中只是简要地教会学生基本命令的使用方法，并利用这些命令完成简单模型的绘制，学生普遍缺乏综合设计的能力，使其在毕业设计过程当中对该软件的使用依然停留在初学者阶段，体会不出这门课的真正意义和价值，更不用说利用软件解决实际产品设计中遇到的复杂问题。从长期来看，也无法满足现代企业对应用型技术人才较高的能力需求。高等教育培养出的CAD/CAM人才决不能只是一个低层次的操作者，而应该是具有一定CAD/CAM理论知识的高智能设计者和CAD/CAM系统及其装备开发的生力军[4]。因此，对于这门课程来说，实践教学环节对学生的专业素质和专业能力的培养起到了举足轻重的作用。

3 教学改革举措

由于CAD/CAM是一门理论性和实践性交叉的综合性课程，在教学的时候不能厚此薄彼，要认识到理论是为实践服务的。然而，目前很多本科院校在具体教学时仍然存在教学内容陈旧、方法单一、重理论轻实践等现象，学生反映欠佳[5]。作为应用型的本科院校，可以根据教学目标的定位不同，在兼顾理论教学和实践教学的同时，适当重点地加强实践教学环节。因此，只有从观念上重视这门课程，从教学上推出改革措施，才能真正提高学生的综合实践能力，培养满足社会、企业需求的高层次人才。

3.1 授课内容及方法的优化

理论课程的内容牵涉的内容多且杂，要根据不同的内容做合理的安排，着重优化与应用相关的内容。对于部分章节，比如数据库结构、计算机图形学等内容，学生已经有了一些相应的基础，在教学的时候对共通性内容可以适当精简，可以结合课后自学的形式，并对延伸的新知识进行着重讨论。这部分内容多采用启发式、提问式、发现式的教学方法，这样可以加深学生对其关联性的理解。对于本课程新的知识，由于学生没有这方面的理论基础，要按照循序渐进，由简到繁，有重点有层次地展开教学，要兼顾内容的基础性和应用性。对于这部分内容，要多结合多媒体技术，采用图片、动画、视频等直观的方法，结合一些热门话题来讲解概念和原理，做到图文并茂，从而吸引学生的注意力，活跃课堂气氛，激发了学生的学习兴趣，也会提高教师的教学效率。要结合实际的案例来讲解理论知识，强调其应用方法，对于部分与上机有关的理论知识，可以考虑将其移到上机操作的课堂上去讲。在讲到参数化设计理论时，直接在机房里以基于Pro/E建立参数化的渐开线直齿轮的模型，通过对齿顶高、齿根高、齿顶圆半径、分度圆半径、齿根圆半径与模数、齿数建立变量关系，实现了“参数更改，模型重生”的参数化设计效果。这样不仅加深了对理论知识的理解，还可以直接学以致用，起到事半功倍的效果。

上机操作课程都是安排在实验室机房进行。早期的教学过程当中，为了在有限的学时尽量多的讲解软件的使用，基本上都是采取课堂教师演示操作过程，课后由学生自主复习操作步骤的方法，但是发现效果并不理想。一方面，学生自身的自觉性不高，课后真正会自主练习的很少，总是把练习的时间寄托在课堂上；另一方面，教师的演示过程一般较快，学生很难都能记住，即使课后练习碰到问题，也不能第一时间得到快速解决，从而造成了“看老师操作很容易，自己操作无从下手”的尴尬局面。近几年针对这个问题，对上机的内容进行了适当重组，减少了一些不常用功能和不实用技巧的讲解，增加了课堂上学生练习的时间。上机依然实施模块化的项目教学法，明确目标，在同一模块中减少了常用的经典案例，增加了少部分的企业实际案例，加强了理论与实际相结合的程度。在上机教学中引入了奔驰车标、运动水壶、鼠标等生活的产品设计来提高学生的学习兴趣；通过完成数控车床横向和纵向进给系统的装配及运动仿真实现了与机电装备课程设计一体化教学的目的；利用Pro/E完成了手机的设计和造型、确定工艺参数、生成刀具路径、动态模拟、通过后处理功能转换成NC代码。这一系列的过程都模拟实际生产应用的流程，让学生提前感知企业对学生能力的需求。教师还通过机房的同屏显示软件将案例的实施操作过程进行分析，并讲解操作过程，然后每节课都要留一点时间，给学生操作练习，重复完成刚才老师讲解的案例。在学生的操作过程中，会出现各种不同的问题，学生可以当堂提问，教师可以第一时间进行一对一解答。针对一些常见的问题，教师还可以进行集中强调一次，减少学生出错的概率。如果有需要的话，还可以借助于录屏软件，教师在讲课过程中边讲边录，将课上的操作过程录制成视频的格式，便于学生课下复习，提高学习效率[6]。这样的教学与练习的互动过程，更大程度上保证了学生知识吸收的准确性和应用性，帮助学生在考试和实际应用的时候更加如鱼得水。学生的上机考试成绩基本集中在80分以上，普遍反映这种“教学做”一体的模式让他们摆脱了枯燥的纯理论教学，这在学生的教务系统的评价上也能得到印证。

3.2 加强过程考核

由于CAD/CAM这门课的实践性质比较强，在对这门课程考核的过程当中要注重实践环节考核，不能仅依靠笔试的成绩来衡量，要采取多样化的方法，适当减少笔试的成绩占比，使学生的水平能够得到更全面的评价。在原来的笔试+上机的考核机制的基础上，增加了综合应用环节的考核，各个环节的占比如表1所示。作业既包含理论课程的作业，也包含上机操作的作业，主要是以题库中的习题为基础，结合学生学习的进程，阶段性地布置并进行实时评价；综合应用的考核可以根据学生的情况作灵活的安排。可以让学生自主选题，单独完成某一个产品的设计制造，也可以4-5人1组，由老师给每1个小组1个相应的设计要求或主题，尽可能地贴近实际生活或生产的例子，学生通过查阅文献资料，任务分工，共同协调完成整体方案设计、零件图和装配图绘制、加工制造等一系列过程，这样既可以考察学生应用所学知识的能力，也可以培养学生的团队协作精神。

表1 CAD/CAM过程考核评价表

3.3 加强课外实践教学环节

应用型人才培养最重要的是应用能力、创新能力的培养[7]。近几年，我院调整并增加了实践教学环节的学分，重在培养学生的实践能力。这些能力的培养不能光靠熟练掌握上机操作来达到，而要加大实践环节的力度，给学生营造理论联系实际，案例贴近生产实践的良好氛围，这对帮助学生提高CAD/CAM的综合应用能力起到非常重大的作用。在多个课程设计模块引入CAD/CAM的应用。在机械设计课程设计中，利用三维软件设计减速器实体模型；在机械制造工艺课程设计中，利用三维软件设计夹具结构；在数控技术课程实验当中，将零件设计和加工制造模块整合到一起，形成CAD/CAM综合实验；在毕业设计环节当中，大面积要求学生要使用三维软件完成零件造型、装配、干涉检查、运动仿真、加工仿真及制造，并配合力学分析软件等相关技术完成设计课题。这些实践环节都进一步加强了学生的综合设计能力，取得了很好的效果。

在实验教学环节，也给学生提供自主动手实践的机会。传统的CAD/CAM实验教学仅给同一个命题，学生分组完成后检查实验效果，这样使学生的思维无法扩散，降低了实践能力的训练。近两年取消了这种“一题式”的固定模式，改成了“多题自由选择式”的灵活方法。教师根据学生的总体水平并结合实际生产罗列出一系列的实验题目，供学生选择，学生甚至可以跳出题目范围，自己拟定实验题目，教师根据题目的范围和工作量做适当评估。分组学生选定题目后自行查阅相关的文献资料，让学生带着具体的实际问题进行发散思维，并制定实施方案，使其处于开放性的实验环境当中。教师应把握好方向，引导学生，并对其设计方案、研究内容、技术路线等严格把关[8]。在实施改革的两年时间里，有的学生以学科竞赛题目为蓝本，相继完成了无碳小车、家居用品、教学用具等产品的改进和创新设计，也有的学生利用周边的人脉资源，结合企业需求，设计出了聚会纪念品等新颖的产品，甚至有学生将作品完善后申报了创新创业训练项目，这些都很好地培养了学生的科研能力。虽然也有部分学生的完成效果不理想，个别还有敷衍现象，但起码让他们感受到了理论应用于实际的价值体现，帮助他们树立正确的就业观。在今后的实施过程中，要更加注重因材施教，针对不同水平学生灵活布置任务，使学生接受甚至喜欢上这种实践教学的方式。这种开放性的实验教学有利于最大程度挖掘学生的实践潜能，激发他们探索的热情。通过大量的案例训练，逐步培养学生处理实际或者模拟设计制造过程。

3.4 重视学科竞赛演练

为了深入促进教学改革，提高学生的学习自主性，要重视学科竞赛的载体作用，积极组织学生参加各级学科竞赛。目前，学生主要参加的是大学生机械创新设计大赛和大学生工程训练综合能力竞赛，这两个大赛均要求学生完成相应主题的产品设计，并制造实物进行竞赛。这些竞赛通过对具体产品的设计建模，可以锻炼学生对软件的探索和钻研等实践应用能力，是对学生CAD/CAM综合能力应用的一个考验和挑战，也让学生将平时的训练付诸实践。学生参加竞赛的全过程也是学生完成课程学习的全过程，通过引入技能竞赛，学生对课程的学习有了具体的目标，从而增强了学习的主动性和自觉性[9]。在最近五年的学科竞赛里，共获得了福建省大学生工程训练综合能力竞赛一等奖2项，二等奖6项，三等奖7项，获得福建省大学生机械创新设计大赛一等奖13项，二等奖18项，三等奖10项，在为学院争取了荣誉的同时，也提高了学生的创新能力和实践能力。今后，还要鼓励学生参加更多的大赛，如全国三维数字化创新设计大赛、全国大学生机械产品数字化设计大赛等，实现以赛代练，以赛促学，这对学生的个人成长有着巨大的帮助，获奖的同时对其他的学生也是一种积极的推动，能够吸引更多的学生加入到竞赛的队伍中，从而建立实践能力的高效精准培养模式。

3.5 推广技能证书考试

作为机械工程学生，熟练掌握和操作CAD/CAM软件已成为必须掌握的一种基本技能。随着计算机应用在各个领域的迅速发展以及应用要求的提升，必将扩大市场对高端CAD应用人才的需求。目前，一些认证机构已在全国的大中专院校中开展了CAD/CAM软件的认证工作，对参加该软件考核并取得合格成绩的学习人员颁发等级认证证书[10]。因此，在应用型高校推广技能证书认证考试既符合国际就业趋势，又能让学生真正地掌握知识技能。获取AutoCAD、Pro/E、UG等职业资格证书的过程，也是强化软件技能训练的过程，进一步提高了软件应用的综合能力。目前系里高度重视学生技能证书的获取，并将其与学分挂钩，推出学分互换的政策，学生可以用证书的分量相抵任选课的学分，这个举措也极大地促进了学生考取技能证书的积极性。随着这两年培训宣传工作的不断完善，考证人数呈现明显的增长趋势，而且越来越多的低年级学生也通过自学加入到了考证队伍当中来。大学生在就业前取得这些证书，既可以增强自主学习的信心，也为以后残酷的就业竞争增加砝码，也让该门课程与企业的需求接轨，让学生真正学有所用。

4 结语

在工业4.0的时代，CAD/CAM在生产管理中发挥了重大的作用，也将软件技术提高到了前所未有的高度。应用型本科院校对CAD/CAM这门课程的定位目标应着重在于培养学生的实践能力与创新能力，对课程的教学内容和方法做适当的调整和优化，要给学生提供实践教学及学科竞赛的平台，营造良好的学习氛围，从而有效地提高教学效果，提高学生的学习积极性，进一步加强培养学生独立思考、发现问题、分析问题和解决问题的能力。